An openBIM-based Methodology for 3D Documentation of Architectural and Archaeological Heritage

This dissertation presents a novel openBIM-based methodology for the 3D documentation of architectural and archaeological heritage, addressing critical challenges in integrating advanced digitization techniques with Cultural Heritage (CH) management. The research introduces Scan-to-MesHBIM, a tailored workflow that utilizes point cloud data (PCD) to generate accurate, semantically enriched, and interoperable 3D models. The study focuses on three primary objectives: enhancing the digitization of complex heritage structures, integrating archaeological and decay analysis into HBIM environments, and improving interoperability through the IFC schema and ontological frameworks. The methodology is structured around four complementary analytical approaches that together provide a robust framework for CH documentation and management. Architectural analysis examines historical construction techniques and geometric complexity to improve semantic enrichment within HBIM. Historical analysis leverages unsupervised machine learning algorithms, such as K-means clustering, to support stratigraphic interpretation, enabling a refined understanding of construction sequences and material transformations based on point cloud segmentation. Spatial analysis defines facility management (FM) scenarios by leveraging ontological mapping and semantic structuring to enhance data interoperability. Decay analysis incorporates damage assessment and material deterioration studies, facilitating the integration of preventive conservation strategies into HBIM workflows. Key innovations include the A²Heritage library, an IFC-native data structure designed for managing CH, and a robust algorithmic pipeline that bridges point cloud segmentation with 3D surface reconstruction. Despite these advancements, challenges remain, particularly in adapting the methodology to complex historical sequences. The results highlight the feasibility of leveraging openBIM standards to enhance precision, interoperability, and sustainability in CH documentation.

Questa dissertazione presenta una nuova metodologia basata su openBIM per la documentazione 3D del patrimonio architettonico e archeologico, affrontando le sfide cruciali legate all'integrazione delle tecniche avanzate di digitalizzazione con la gestione del Patrimonio Culturale (CH). La ricerca introduce Scan-to-MesHBIM, un workflow specifico che utilizza i dati delle nuvole di punti (PCD) per generare modelli 3D accurati, semanticamente arricchiti e interoperabili. Lo studio si concentra su tre obiettivi principali: migliorare la digitalizzazione di strutture complesse del patrimonio, integrare l’analisi archeologica e del degrado negli ambienti HBIM e potenziare l'interoperabilità attraverso lo schema IFC e i modelli ontologici. La metodologia è articolata su quattro approcci analitici complementari che, insieme, costituiscono un quadro solido per la documentazione e gestione del patrimonio culturale. L'analisi architettonica esamina le tecniche costruttive storiche e la complessità geometrica, migliorando l'arricchimento semantico dei modelli HBIM. L'analisi storica sfrutta algoritmi di apprendimento automatico non supervisionato, come il clustering K-means, per supportare l'interpretazione stratigrafica, consentendo una comprensione più dettagliata delle sequenze costruttive e delle trasformazioni dei materiali attraverso la segmentazione delle nuvole di punti. L'analisi spaziale definisce scenari di Facility Management (FM), sfruttando la mappatura ontologica e la strutturazione semantica per migliorare l'interoperabilità dei dati. L'analisi del degrado integra la valutazione dei danni e lo studio del deterioramento dei materiali, facilitando l'inserimento di strategie di conservazione preventiva nei flussi di lavoro HBIM. Le principali innovazioni comprendono la libreria A²Heritage, una struttura dati IFC-native progettata per la gestione del patrimonio culturale, e un pipeline algoritmico avanzato che collega la segmentazione delle nuvole di punti con la ricostruzione tridimensionale delle superfici. Nonostante i significativi progressi, rimangono alcune sfide, in particolare l'adattamento della metodologia a sequenze storiche complesse. I risultati evidenziano la fattibilità dell’utilizzo degli standard openBIM per migliorare la precisione, l'interoperabilità e la sostenibilità nella documentazione del patrimonio culturale.